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《哈尔滨工业大学》 2010年
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稀土掺杂钇氧化物的发光性能研究

杨明珠  
【摘要】:稀土离子具有许多优点,如丰富的能级、较长的能级寿命、稳定的物理化学性能等。近年来,稀土发光材料已经广泛地应用于激光器、通信、色彩显示、防伪、生物医疗等领域,并逐渐向其他高技术领域扩展。稀土离子的发射光谱主要是4fN组态内能级间电偶极跃迁而产生的线状光谱,而根据跃迁选择定则4fN组态内的电偶极跃迁是禁戒的,稀土离子的辐射跃迁几率很低。同时,受到基质材料声子能量和表面缺陷等因素的影响,在稀土离子跃迁过程中很难避免无辐射跃迁过程的发生。因此,稀土发光材料的发光效率较低一直是其应用方面的难题。本文以具有优良光学性能和物化性能的钇氧化物为基质材料,选取其中具有代表性的Y_2O_3和Y_3Al_5O_(12)为研究对象。采用沉淀法、水热法、微波法和溶胶凝胶法制备了Eu~(3+):Y_2O_3、Bi~(3+)/Er~(3+):Y_2O_3和Li~+/Er~(3+):Y_3Al_5O_(12)粉体,从影响稀土发光材料发光效率的物理机制入手来探索提高发光效率的方法。 通过不同的化学合成方法制得了不同形貌的Eu~(3+):Y_2O_3纳米晶,揭示了Eu~(3+):Y_2O_3纳米晶的生长机制。结合激发光谱、发射光谱、红外光谱以及荧光寿命测试结果探讨了Eu~(3+):Y_2O_3纳米晶不同微观形貌对其表面态及光学性能的影响。通过水热法和微波法制得具有高结晶度的Eu~(3+):Y_2O_3纳米晶,表面缺陷的减少使得能级间的无辐射跃迁几率降低,荧光强度增强。此外,微波法可以有效地提高Eu~(3+):Y_2O_3纳米晶的合成效率。微波反应200℃、10min制得样品的发光强度与水热法180℃、12h制得样品的发光强度相当。 以Bi~(3+)离子为掺杂离子,Er~(3+)离子为激活离子,采用溶胶凝胶法制备了Bi~(3+)/Er~(3+):Y_2O_3粉体。讨论了在紫外激发和红外激发下Bi~(3+)离子掺杂浓度对Er~(3+)离子发光行为的影响;同时,分析了Bi~(3+)离子掺杂对Er~(3+)离子~2H_(11/2)/~4S_(3/2)能级猝灭浓度的影响。研究结果表明,紫外激发下Er~(3+)离子发光强度的增强(最强达42倍)来源于Bi~(3+)离子对Er~(3+)离子的敏化作用;而红外激发下Er~(3+)离子发光强度的增强则是由于Bi~(3+)离子的掺杂提高了Er~(3+)离子的辐射跃迁几率。此外,Bi~(3+)离子的引入减弱了近邻Er~(3+)离子之间的相互作用,使Er~(3+)离子~2H_(11/2)/~4S_(3/2)能级的猝灭浓度提高了2mol%。掺杂Bi~(3+)离子不仅能够在紫外激发下对Er~(3+)离子实现敏化作用,同时,在红外激发下可以提高Er~(3+)离子的辐射跃迁几率和~2H_(11/2)/~4S_(3/2)能级猝灭浓度。 利用溶胶凝胶法制得Li~+/Er~(3+):Y_3Al_5O_(12)粉体,讨论了Li~+离子在基质中处于不同占位时对Er~(3+)离子发光性能的影响及其物理机制。当Li~+离子占据替代位置时,绿光的发光强度缓慢增强;而填隙位Li~+离子出现后绿光的发光强度大幅增加(最强达36倍)。分析结果表明,当Li~+离子占据替代位置时,相对于辐射跃迁几率的增加,无辐射跃迁几率的减小在发光强度提高中起到了主导作用。而填隙位Li~+离子出现而造成的绿光大幅增强则是Er~(3+)离子~4I_(11/2)能级寿命、~2H_(11/2)/~4S_(3/2)能级辐射几率以及Er~(3+)离子对泵浦光源吸收率增大的共同结果。其中,Er~(3+)离子对泵浦光源吸收率的增大起主导作用。Li~+离子的掺杂可以降低Er~(3+)周围晶体场对称性,打破Er~(3+)离子4f-4f能级间的禁戒跃迁,提高Er~(3+)离子的辐射跃迁几率、能级寿命和对泵浦光源的吸收率,从而大幅提高Er~(3+)的发光效率。 通过以上研究,本文从影响稀土发光材料发光效率的物理机制出发,实现了对发光效率的有效提高,对提高稀土发光材料的发光强度以满足实际应用需要提供了有益帮助。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O482.31

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【参考文献】
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